CN100523948C

CN100523948C - 具有氧化物层叠光学层的背光单元

Info

Publication number: CN100523948C
Application number: CNB2006100830563A
Authority: CN
Inventors: 崔溶元
Original assignee: Samsung Corning Precision Glass Co Ltd
Current assignee: Corning Precision Materials Co Ltd
Priority date: 2006-01-12
Filing date: 2006-05-29
Publication date: 2009-08-05
Anticipated expiration: 2026-05-29
Also published as: KR100742125B1; KR20070075082A; CN101000435A

Abstract

一种背光单元，包括：基底；多个光源，按照彼此隔开的关系布置在基底上，用于辐射光；全反射层，用于向上反射从所述光源辐射的光；和光学层，布置在所述光源之上，并具有层叠在其上的氧化物层。所述光学层用于使所述光的一部分穿过所述光学层，并且将所述光的剩余部分向下朝向基底反射，由此使从所述光源辐射的光进行光学谐振。由氧化物层叠光学层引起的光学谐振有助于降低发光谱中的基于颜色的谱直方图的半幅值，由此提高颜色纯度。

Description

具有氧化物层叠光学层的背光单元

技术领域

本发明涉及一种背光单元，更具体地讲，涉及一种能够通过使用光学层中的光学谐振来增加亮度的背光单元。

背景技术

作为一般显示装置之一的阴极射线管(“CRT”)已经广泛用于电视机或计算机监视器，但是没有赶上电子设备的小型化和轻型化的当前趋势。

因此，已经努力开发出各种技术，以使用新的显示装置来取代阴极射线管，这些新的显示装置的例子包括使用电场光学效应的液晶显示器(“LCD”)、使用等离子放电的等离子显示面板(“PDP”)以及使用电场发光效应的场致发光显示器(“ELD”)。

在这些装置中，随着液晶材料的改进和精细像素处理技术的发展，特征为轻薄结构和低电操作性的液晶显示器的应用范围快速扩展，并且广泛应用于家庭电视机、桌上型计算机监视器、笔记本式计算机监视器、大尺寸平板电视机等。

为了显示图像，大多数液晶显示器需要使用单独的背光单元，背光单元用作平光(light-flatting)部件，用于调整输入光的量。

如图1所示，在一般的液晶显示器中使用的液晶显示模块1包括：液晶显示面板2，填充有液晶；偏振片4a和4b，用于使被引导至液晶显示面板2的上表面和下表面的光偏振；背光单元6，用于向液晶显示面板2提供均匀光；主支撑件8a，用于保持液晶显示模块1的外部结构；以及顶壳8b。

与阴极射线管或等离子显示面板不同，液晶显示面板2自身不发出任何光，而是仅仅改变液晶的取向或排列。这使得有必要在液晶显示面板2的后部设置背光单元6，用于将光均匀地表面辐射到信息显示表面上。

关于这点，取决于光源的位置将背光单元6分为边缘型和直射型。如图2A所示，边缘型背光单元包括布置在导光板14的一个边缘上的光源12，用于表面辐射光。相反，直射型背光单元被再分为点型和线型。在点型中，多个点光源16a安装在基底30上，如图2B所示。在线型中，多个线光源16b安装在基底30上，如图2C所示。在这样的直射型背光单元中，光源基本均匀地分布在基底的整个表面上。

通常使用的光源的例子包括场致发光(“EL”)部件、冷阴极荧光灯(“CCFL”)以及热阴极荧光灯(“HCFL”)。近年来，广泛使用具有宽的颜色再现区域并且环境友好的发光二极管(“LED”)。

已经作了研究以开发出使用发光二极管作为背光单元中的光源的方法。研究的主题包括利用蓝色发光二极管和钇铝石榴石(“YAG”)荧光体的方法、与红、绿和蓝色荧光体结合来使用紫外线发光二极管的方法以及使用红、绿和蓝色发光二极管以将从其产生的光混合的方法。

利用蓝色发光二极管和钇铝石榴石(“YAG”)荧光体的方法的缺点在于由此产生的光源具有降低的表现红色的能力和低发光效率。另外，与红、绿和蓝色荧光体结合来使用紫外线发光二极管的方法的缺点在于难以开发出这些荧光体，使得所得光源展示出恶化的热特性。

由于从各个发光二极管发出的红、绿和蓝光的强度增加，所以使用红、绿和蓝色发光二极管的方法在将光源设计为具有加宽的颜色再现范围方面是有效的。但是，该方法的问题在于难以组成用于白色面光源的二极管的组合。

同时，随着追求大尺寸和高画面品质显示装置的当前趋势，需要能够输出高通量光的背光。为了顺从这种需求，已经开发出用于聚集从发光二极管发出的光的透镜、半导体芯片和二极管材料。

作为将电能转换为光能的固体半导体装置中的一种的一般发光二极管包括掺杂层和有源层。如果偏置电压施加到两个相对放置的掺杂层上，则电子空穴和电子被注入到有源层中并被复合以产生光。在有源层中产生的光在各个方向被发射，并且通过暴露在外的每个表面从发光二极管逸出。从发光二极管逸出的光通过合并有发光二极管的背光单元被取向为期望的方向。

但是，由于当穿过电流扩散层时的光损失和分界面处的全反射引起的光损失，所以到现在为止开发的发光二极管不能提供足够高的发光效率。

因此，在需要输出高通量光的背光单元中，或者将增加的电流施加到发光二极管或者增加所使用的发光二极管的数量，这是不可避免的。

在将增加的电流施加到发光二极管的情况下，从发光二极管产生大量热，由此降低了发光效率，并且有必要对发光二极管安装在其上的基底增加热辐射设计。在增加发光二极管的数量的情况下，除了增加背光单元的制造成本之外，还难以设计这样的背光单元。

尽管为了提高发光效率而开发了基于氮化物半导体的发光二极管和基于铟镓铝化磷(InGaAlP)的发光二极管，但是这些发光二极管倾向于发出光通量低于冷阴极荧光灯的光通量的光，因此不适合于在背光单元中使用。

发明内容

因此，本发明的目的在于提供一种能够通过使用光学层中的光学谐振来提高发光效率和光的颜色纯度的背光单元。

根据本发明，提供一种在具有液晶面板的液晶显示器中使用的背光单元，该背光单元包括：基底；多个光源，按照彼此隔开的关系布置在基底上，用于辐射光；全反射层，用于以向上的方向反射从所述光源辐射的光；和光学层，布置在所述光源之上，并具有层叠在其上的氧化物层，所述光学层用于使所述光的一部分穿过所述光学层，并且将所述光的剩余部分向下朝向基底反射，由此所述背光单元能够使从所述光源辐射的光进行光学谐振。

附图说明

从下面结合附图所给出的优选实施例的描述中，本发明的上述和其它目的及特点将会变得清楚，其中：

图1显示了现有技术中的液晶显示模块的示例性结构；

图2A至图2C是示出几种一般的背光单元的透视图；

图3是示出根据本发明的背光单元的一部分的前视图；

图4A和图4B是显示图3中所示的光学层中的氧化物的层叠结构的前视图；

图5是示出根据本发明的具有侧反射部分的背光单元的前视图；

图6A和图6B是示出根据本发明的设置在背光单元中的各种侧反射部分的前视图；

图7A至图7E是显示根据本发明的一些测试例子的光学层中的氧化物的层叠结构的前视图；和

图8用图形表示了本发明的背光单元中以及对比背光单元中的光反射比和亮度之间的相互关系。

具体实施方式

以下将参照附图来详细描述本发明的优选实施例。

图3是示出根据本发明的背光单元的一部分的前视图，图4A和图4B是显示图3中所示的光学层中的氧化物的层叠结构的前视图。

如图3所示，根据本发明的背光单元100包括：基底30；多个发光二极管40，按照彼此隔开的关系布置在基底30上；全反射层50，以向上的方向(即，朝向液晶层)反射从发光二极管40辐射的光；和光学层60，设置在发光二极管40之上，用于使得所述光的一部分透射通过该光学层，并且将所述光的剩余部分向基底30反射。

在其上形成图案的基底30用于支撑发光二极管40并散发由发光二极管40产生的热。发光二极管40以总体上相等的间隔安装在基底30上。全反射层50被形成为刚好低于发光二极管40每个的发光部分41。

或者，全反射层50可被直接粘合到发光二极管40安装在其上的基底30。通过将高反射比的光反射膜粘合到铝片上来形成这样的全反射层50。优选的是，光反射膜具有不低于80％的高反射比以及低的吸收率和透射比。

光学层60布置在发光二极管40和全反射层50之上，与全反射层50隔开预定的光学距离“d”。光学层60使得光的一部分从其透射通过，并且将光的剩余部分向基底30反射。为了确保穿过光学层60的光能够易于相长干涉，必须满足下式：

∑(n×t)＝m×(λ/2)

其中，“n”表示全反射层50或光学层60的折射率，“t”表示全反射层50或光学层60的几何厚度，“λ”表示从发光二极管40发出的光的峰值波长，“m”是大于0的整数。

在发光二极管40发出红光、绿光或蓝光的情况下，如果光的峰值波长的一半乘以一个整数等于全反射层50的折射率乘以全反射层50的几何厚度的所得值与光学层60的折射率乘以光学层60的几何厚度的所得值之和，则穿过光学层60的光可彼此进行相长干涉，并因此引起光学谐振。

响应于该光学谐振，从背光单元100发出的光的亮度增加，并且发光谱中的基于颜色的谱直方图的半幅值降低，由此提高了颜色纯度。

在这一方面，理所当然的是，可通过调整全反射层50或光学层60的厚度来获得期望的发光谱中的谱峰。

由通过调整全反射层50和光学层60之间的光学距离“d”引起的光学谐振产生的最大透射比T_max由下式表示：

T_{\max} = [T_{1} \times T_{2} \times \exp (- 2 β)] / {[1 - \sqrt{R_{1} \times R_{2}} \times \exp (- 2 β)]}^{2}

其中，β＝(2πktcosθ)/λ

其中，“T₁”和“R₁”分别表示光学层60的透射比和反射比，“T₂”和“R₂”分别表示全反射层50的透射比和反射比，“k”表示消光系数，“t”表示几何厚度，“θ”表示从全反射层50和光学层60之间的内部空间传播到外部的光的角度，“λ”表示从发光二极管40发出的光的波长。

一旦按照这种方式计算出最大透射比，则可以设计具有与该最大透射比相应的反射比的光学层。

从安装在基底30上的发光二极管40中的一个发出的光的一部分通过光学层60进入到外部。所述光的剩余部分被光学层60反射，然后向全反射层50传播，此时，光再次被全反射层50向光学层60反射。

随着光被重复透射和反射，通过光学层60投射到外部的光经历相长干涉，因此确保从发光二极管40发出的光在通过光学层60辐射到外部之前被放大。

此外，该过程有助于加长光的传播路径，因此在通过将从红、绿和蓝色发光二极管发出的光混合来辐射白光时可有效地将光混合。

因此，优选的是，全反射层50具有尽可能大的反射比以及尽可能小的透射比和吸收率。

通过将氧化物或金属材料层叠来形成光学层60。在将氧化物层叠的情况下，可独立或交替地层叠一层或多层光折射率“n”小于2.3的低或中折射率氧化物和光折射率“n”等于或大于2.3的高折射率氧化物，如图4A所示。或者，可独立或交替地层叠一层或多层光折射率“n”等于或大于1.5但小于2.3的中折射率氧化物、光折射率“n”小于1.5的低折射率氧化物和光折射率“n”等于或大于2.3的高折射率氧化物，如图4B所示。在这种情况下，与氧化物的层叠厚度和层叠的层数的增加成比例地，光吸收率被降低，并且背光单元的亮度被提高。

由于层相互间的折射率的差异，所以将不同折射率的层进行层叠提高了光反射性质。随着层叠的层数增加，光吸收率被最小化，并且光反射性质被提高。

SiO₂(二氧化硅)主要用作低折射率氧化物，Nb₂O₅(五氧化二铌)主要用作中折射率氧化物，TiO₂(二氧化钛)、Ta₂O₃(三氧化二钽)或Y₂O₃(三氧化二钇)主要用作高折射率氧化物。考虑到折射率，当然可以使用其它氧化物。

同时，在用金属材料形成光学层60的情况下，优选的是，金属材料采用薄膜形式。银适合于光学层60，并且最好被层叠为具有例如21nm的厚度。

参照图5，显示了根据本发明一个实施例的设置有侧反射部分的背光单元。如图5所示，本发明的背光单元100还包括一对隔开的侧反射部分70，该对侧反射部分70每个在背光单元100的相对侧从全反射层50向上延伸到光学层60。侧反射部分70用于防止由发光二极管40发出的光在横向通过在全反射层50和光学层60之间发生任何泄露。

如同全反射层50一样，优选的是，侧反射部分70具有尽可能大的反射比以及尽可能小的透射比和吸收率。侧反射部分70用于将从发光二极管4(入射到其上的光向背光单元100的中心反射，因此增加了穿透光学层60的光的量。

图6A和图6B示出了根据本发明的设置在背光单元中的各种类型的侧反射部分。如这些附图中所示，优选的是，背光单元100的侧反射部分70被形成为从全反射层50向上向外朝向光学层60延伸。这是因为光通过光学层60被辐射到目标物体并因此最好应被向光学层60反射。侧反射部分70可以是图6A所示的平直形状或图6B所示的轻微弯曲的形状。

现在将描述根据本发明的形成光学层60以制造背光单元100的实际例子。

图7A至图7E是显示根据本发明的一些测试例子的氧化物的层叠结构的前视图。

输出功率为1w的红、绿和蓝色发光二极管被准备，红色发光二极管中心波长为627nm，绿色发光二极管中心波长为530nm，蓝色发光二极管的中心波长为455nm。这些发光二极管中的每个是这样一种发光二极管，其中心波长取决于驱动电流和热特性而在5％范围内变化。发光二极管的驱动电流为200mA。

这样准备的发光二极管被组合为多个二极管组，每组以5-6cm的相等间隔被安装在基底上。所述多个二极管组中的每组包括例如一个红色发光二极管、一个绿色发光二极管和一个蓝色发光二极管。

各个二极管组中的二极管组合可被任意改变，另外，二极管组之间的间隔可取决于包含在每个二极管组中的发光二极管的数量而被改变。例如，所述多个二极管组中的每组可包括两个红色发光二极管、两个绿色发光二极管和一个蓝色发光二极管。或者，所述多个二极管组中的每组可包括一个红色发光二极管、两个绿色发光二极管和一个蓝色发光二极管。

如图7A至图7E所示，制造了五种氧化物层叠结构(膜)，每种包括光学层。各个结构的光学层分别具有40％、50％、60％、70％和80％的光透射比，并且在与分界面特性相符合的层叠条件和氧化物层叠结构的涂覆条件下通过向上层叠氧化物来形成这些光学层。可使用Essential McLeod程序通过计算机仿真来推导出层叠条件。

在这点上，图7A、图7B、图7C、图7D和图7E分别显示了具有40％、50％、60％、70％和80％的光透射比的氧化物层叠结构。

在氧化物层叠结构中，为了获得更大的光反射比，应该增加层数。考虑到这点，氧化物被层叠10次，以获得光透射比为40％的层叠结构。层叠被执行8次，以获得光透射比为50％、60％和70％的层叠结构。层叠被执行6次，以产生光透射比为80％的层叠结构。

背光单元使用这样获得的五种氧化物层叠结构被制造，并且背光单元的特性被估计。同时，不具有光学层和反射板的背光单元被制造，以对光谐振效应进行比较。本发明的背光单元和对比的背光单元的特性被分析。

SiO₂用作低折射率氧化物，而TiO₂用作高折射率氧化物。

图8用图形表示了本发明的具有氧化物层叠光学层的背光单元中以及对比背光单元中的光反射比和亮度之间的相互关系。在图8中，术语“无”(bare)表示不提供光学谐振效应的对比背光单元的测试结果。

在图8中明显的是，包括光透射比为80％(即，反射比为20％)的氧化物层叠光学层的背光单元展示出其亮度比对比背光单元的亮度高14％。在背光单元包括光透射比为40％、50％、60％和70％(即，反射比为60％、50％、40％和30％)的氧化物层叠光学层的情况下，可以看出，该背光单元的亮度增加到大于对比背光单元的亮度的程度。

如上所述，本发明的背光单元的有益效果在于氧化物层叠光学层可引起光的光学谐振并提高背光单元的亮度，同时使得光彼此有效地混合。

这降低了需要高亮度的白色光的背光单元的电消耗，由此延长了背光单元的使用寿命。此外，由氧化物层叠光学层引起的光学谐振有助于降低发光谱中的基于颜色的谱直方图的半幅值，由此提高颜色纯度。另外，可仅仅通过调整全反射层和/或光学层的厚度来获得发光谱中的期望的谱峰。

虽然参照优选实施例显示和描述了本发明，但是本领域技术人员应该理解，在不脱离由权利要求限定的本发明的精神和范围的情况下，可作出各种变化和修改。

Claims

1、一种在具有液晶面板的液晶显示器中使用的背光单元，包括：

基底；

多个光源，按照彼此隔开的关系布置在基底上，用于辐射光；

全反射层，用于在相对于所述全反射层向上的方向反射从所述光源辐射的光；和

光学层，布置在所述光源之上，并由层叠的氧化物层形成，所述光学层用于使所述光的一部分穿过所述光学层，并且将所述光的剩余部分向下朝向基底反射，

其中，通过交替地将不同折射率的氧化物层向上层叠来形成光学层，

其中，全反射层的折射率乘以全反射层的几何厚度的所得值与光学层的折射率乘以光学层的几何厚度的所得值之和等于从所述光源辐射的光的峰值波长的一半乘以一整数，由此穿过光学层的光能够彼此进行相长干涉，

由此所述背光单元能够使从所述光源辐射的光进行光学谐振。

2、根据权利要求1所述的背光单元，其中，氧化物层包括折射率等于或大于1.5但小于2.3的中折射率氧化物层、折射率小于1.5的低折射率氧化物层以及折射率等于或大于2.3的高折射率氧化物层。

3、根据权利要求1所述的背光单元，还包括隔开的侧反射部分，所述侧反射部分中的每一个在背光单元的相对侧从全反射层向上延伸到光学层，所述侧反射部分每个用于防止由光源辐射的光在横向上通过全反射层和光学层之间发生任何泄露。

4、根据权利要求3所述的背光单元，其中，侧反射部分被形成为从全反射层向上向外朝向光学层延伸。